北京雄安新区钢结构工程铸钢节点

铸钢节点用最简单的话来描述就是：钢结构制造过程中，部分节点部位相贯较多，焊接不方便并且应力大，或者无法通过焊接得到需要的形状，因此采用铸钢节点形式做出，可以做任意形状，焊接方便。

1．由于钢管相贯处直接铸造成型，使钢结构受力更加合理，整体结构更加稳定，克服了大量集中焊接造成的应力对整体结构带来的不利影响。

2．铸钢节点去掉了节点球，使钢结构更加简洁、流畅，能够充分表达建筑师的设计思想。

3．铸钢节点可以铸成空间任意形状，使任何形状的建筑造型都可以成为现实。

4．铸钢节点在工厂制作完成，大大减少了高空作业的工作量，使建筑成本降低，整体工程质量提高，并且大大降低了高空作业对施工人员带来的危害。

    铸钢节点因其具有良好的加工性能、复杂多样的建筑造型等性能,目标在一些大跨度空间管桁架铸钢中开始逐步推广使用,特别是在处理复杂的交汇节点上,铸钢节点有着得天独厚的优势。常见的空间结构节点：焊接空心球节点、螺栓球节点、铸钢节点，并对这些节点的自身特性进行了分析。空间结构的大力推广，节点至关重要。结构不复杂、安装简单、成本低，就很容易得到推广，对促进空间结构的发展也大有裨益。

关键词：钢结构；节点焊接；空心球节点；螺栓球节点；铸钢节点

引言

节点是空间结构一个很重要的部分。在空间结构的发展历程中，研发了很多的节点。在这些节点中，有些节点是因为研发时间较短，没有应用到实际案例中，有些节点是现场施工难度较大，没有得到应用，但这些节点为空间结构的发展起到了很好的推助作用。

下面将对几种节点进行简单分析，同时对空间结构节点未来发展方向进行了展望。

1 焊接空心球节点

焊接空心球节点是目前使用最普遍的节点形式之一，它是由刘锡良教授发明的。焊接空心球节点具有跨距大、质量轻、无需支撑等特点。在体育馆、大饭店及娱乐场馆应用及其普遍。

1.1 焊接球制作工艺

网架结构的空心球常见的是采用热压工艺，这也是最常见的制作方式之一。第一步是将钢板下料加热至很高的温度，保持温度在 850℃—900℃之间，然后采用由上下拼接而成的模具热压成半球形，然后检验焊接球的圆度， 合格后要修切边缘及坡口，最后进行成品球的焊接 [1 ]。

1.2 焊接方式及顺序

一般在焊接过程中要经过仰焊、立焊等位置。这样会导致操作工序难以把握，原因是焊条角度变化很大。在仰焊时，非常容易产生焊瘤，这是由于在仰焊时熔化金属有往下坠落的趋势。焊瘤会在由仰焊位置过度到平焊位置时有向钢管里面滴的现象，因此会出现熔深不均匀的现象。在焊接底部时，仰焊及平焊部位的两个焊缝接头难以操作，一般仰焊接头处容易产生内凹，这是仰焊特有的缺陷，而平焊接头处的底部易产生未焊透和焊瘤。

整体的焊接顺序是先焊接下弦节点，然后是上弦节点，由中间往两边扩散每一个节点上的所有焊缝应将第一遍全部焊完后，在进行第二遍的焊接，以防止焊接应力集中，会导致网架产生变形。在同一条焊缝中一半成型后再焊接另一半，这是不允许的。

2 螺栓球节点

螺栓球节点由螺栓、钢球、螺钉、套筒和锥头等零件组成，适用于连接钢管杆件，在网架结构中较为常见。

2.1 螺栓球优缺点

螺栓球优点：

1 ) 螺栓球节点的结构体系，其构造形式与力学假定相符，能有效减少误差。

2) 施工相对其他节点相对灵活，可以散装和整体安装。

3) 质量较轻，便于运输。螺栓球缺点： 

1 ) 设计需要考虑杆件角度，角度不好螺栓球很大。

2) 需要各个配件的精度高，现场安装难度大。

2.2 高强度螺栓

高强度螺栓是相对于普通螺栓的一种螺栓。高强度螺栓由高强度钢制造的，多用于钢轨、桥梁及超高压设备

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的连接。根据受力特点可分为承压型和摩擦性两种。但是，与普通的螺栓相比，高强螺栓可以比普通螺栓承受更高的强度。高强螺栓通常选用高强度低合金钢和高温合金制造。热处理是采用冷热方法控制相变，赋予高强度螺栓极限服役性能的技术。近年来，国内外研发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，耐延迟断裂性能大幅度提高 [2]。

2.3 螺栓球节点的工作机理

只有充分了解到螺栓球节点的工作机理我们才能更加充分的理解其半刚性的原因。螺栓球节点通常由螺栓球、螺栓杆、锥头和套筒组成。

螺栓球节点受力时的工作机理比较复杂，通常如下：当拉力作用在锥头的时，会导致锥头与套筒互相分离， 此时它们不参与受力，而螺栓杆与锥头互相紧靠，会一同受力。当锥头受压时，此时套筒和锥头会同时受力， 而螺栓杆和锥头不参与受力。当弯矩作用于锥头的时，由于实体球、螺栓杆、锥头和套筒有部分互相紧靠，有部分区域分离，方向难以把握，这时候依据弯矩方向而定。

3 铸钢节点

在复杂的空间结构中，由于节点处支管太多，如果用常规节点会导致大量焊缝密集交叠，会影响正常的施焊， 从而会导致节点的工作性能降低，而采用铸钢节点会使重叠焊接引起的应力集中大大减少。由于铸钢节点可以铸成空间任意形状，这样使任意形状的建筑造型都可以成为现实。通常在节点局部高应力区采用圆形倒角和圆滑截面， 使节点的应力分布更加的合理，另外铸钢材质具有较好的塑形、韧性和可焊性 [3-4]，因此在工程上得到了广泛的应用。

3.1 铸钢节点的特性

在建筑钢结构中， 节点形式很多， 例如焊接空心球节点、螺栓球节点、相贯节点、焊板钢板节点等。各个节点都有各自的特点，铸钢节点的主要特性为：

铸钢节点对节点位置、尺寸、形状的限制比较小，因此应用十分的广泛。不但能用于支座节点，还可以用于结构中部节点。

相对在现场焊接的节点来说，由于铸钢节点是在厂内整体浇筑，因此可以使焊缝引起的应力集中大大减少。

3.2 铸钢节点的设计

1 ) 铸钢节点的可焊性要强。

2) 节点肢杆和桁架杆件间应为对接焊缝，肢杆的端面应做成适当坡口。

3) 要进行节点分析和优化设计，同时保证一定的安全度。

3.3 铸钢节点的焊接

为了确保焊接的质量，要严格控制铸钢材中 C 、S 、P 的含量，而且对焊条的选材、焊接工艺都要进行严格审核 [5]。焊接前要用加热板对焊缝进行预热， 加热至 100℃， 停止加热 15 分钟， 以保证构件内外温度尽量接近， 然后用手工电弧焊打底，结束后要进行冷却措施。

4 展望

近年来空间结构在国内外得到了很大的发展，空间结构节点的形式也日趋多样。在未来空间结构节点的设计中，以下几点问题还需关注。

（ 1 ）要对螺栓球和焊接球同时使用时的破坏机理进一步的研究。要提高螺栓球节点中螺栓的安全度，避免结构发生脆性破坏。

（ 2 ）由于空间结构的铸钢节点与传统工业中对铸钢件的性能要求、质量控制等方面存在很大的不同，所以要加强对构件受力性能影响、壁厚对铸钢设计强度影响等方面的研究